iGoliath 211 triode versterker

In deze bijdrage beschrijft Peter Gelder zijn Single Ended iGoliath 211 triode versterker met een stuurtrap die gebruik maakt van een interstage trafo. Het is Peters eerste bijdrage voor Audio Creative en hopelijk zullen er meer mooie avonturen van zijn hand volgen.

iGoliath 211 single ended triode versterker met interstage trafo

 

Ik ben aan het ontwerp van deze versterker begonnen kort nadat ik een project met een 813 buis in een Single Ended Ultra Lineair setup had afgedankt, omdat die technisch gezien niet aan mijn verwachtingen voldeed. Dit speelde in dezelfde periode waarin Dick van de Merwe zijn General II versterker net af had gebouwd en erg enthousiast over de resultaten bleek te zijn.

Ik wilde een versterker bouwen die qua performance beter uit de bus zou komen dan de 211 versterkers die ik al jaren had staan spelen (een rechtgeaarde ‘audiofiel’ wil nu eenmaal steeds verder, red.). In nauw overleg met Dick heb ik besloten om te gaan voor een 211 versterker die gebruik maakt van een interstage trafo in de stuurtrap zodat geen koppelcondensator nodig is. Dit type stuurtrap levert als extraatje een paar Watt extra uitgangsvermogen op, vanwege de vloeiende overgang van Klasse-A1 naar A2.

Klasse-A

Klasse A1 betreft een instelling waarbij het rooster van de eindbuis een constante negatieve spanning krijgt aan- geboden om de ruststroom door de eindbuis in te stellen. De negatieve roosterspanning op de 211 eindbuis van -59 V geeft de 6N30 stuurbuis ruimte om zo’n 42 volt RMS signaal te leveren voordat het rooster van de 211 positief wordt. Op het moment dat die spanning boven de 0 V uitkomt, gaat het rooster stroom trekken, wordt daardoor laagohmig en bereikt de stuurtrap het eind van zijn kunnen. Dankzij een koppelcondensator tussen stuur en eindtrap wordt erg vervelend gedrag bij oversturing begrensd. Er ontstaat namelijk automatisch een laag-af filtering. Hierdoor blijft een harde begrenzing uit, zoals je vaak bij solid state versterkers ziet. Het blijft allemaal lekker soft gaan als de grens overschreden wordt.

Klasse-A2

Klasse-A2 is een instelling waarin het rooster van de eindbuis wel een positief signaal aangeleverd kan krijgen (dus boven de fysieke nul). De stuurtrap kan de benodigde stroom voor het rooster leveren. Het gebruik van een interstage transformator zorgt er voor dat zowel Klasse A1 en A2 haalbaar zijn en de overgang van A1 naar A2 vloeiend verloopt. Het heeft echter wel consequenties voor de signaalkwaliteit, want in klasse A2 raakt het signaal namelijk vervormd. De meerwaarde zit er echter in, dat het een mooie oplossing biedt voor flinke uithalen die in het positieve gebied eindigen, daar waar een koppel condensator de toppen van de sinussen gewoon zou hebben afgevlakt.

Speciale Uitgangstrafo

Bij een eindbuis die een hoge uitgangsimpedantie nodig heeft, draait eigenlijk alles om de kwaliteit van de uitgangstrafo. Bandbreedte is vaak het grote probleem met 10K uitgangstrafo’s die voor een 211 buis nodig is. Wil Blaauw van AE-Europe heeft zich speciaal voor deze versterker veel moeite getroost om een uitgangstrafo te ontwikkelen die zich van zijn beste kant laat zien in de lage frequentieregionen, maar ook in het hoog niet te veel water bij wijn doet. Het maken van een uitgangstrafo is altijd weer een kwestie van een juiste balans vinden.

De nieuwe trafo heeft een dubbele C-kern die ruim 150 mm hoog is en zowel ingezet kan worden voor Single Ended Triode als voor Ultra Lineaire Penthode. De secundaire winding heeft slechts één impedantietap van 6 Ohm. Tevens is er een CFB-winding. Ofwel: ‘Cathode FeedBack’, een extra lokale tegenkoppeling in het kathodecircuit van de 211 eindbuis met hulp van een speciaal daarvoor aangelegde wikkelingen op de uitgangstrafo. Hiermee wordt de  de uitgangsimpedantie van de versterker wat verlaagd. Dit kan grip op de aan te sturen luidsprekers verder verbeteren.

De kast

Ik gebruik een 100 mm hoog chassis omdat er voldoende ruimte moet zijn voor de interstage trafo. De opbouw van het chassis is met aluminium kokerprofielen voor de zijkanten en 10 mm dikke aluminium platen voor het front en achterpaneel. De maatvoering van het kokerprofiel is 100×18 mm bij een wanddikte van 3 mm. Deze profielen zijn bij de metaalhandel per strekkende meter te verkrijgen.

De kokers zijn voorzien van gelijmde aluminium proppen met schroefdraadgaten voor het front en achterpaneel. Alle montageplaatsen zijn voorgeboord en voorzien van schroefdraad. De panelen zijn gepolijst en gespoten. De oplossing die ik bedacht heb om het hoofd te bieden aan het optredende ruimteprobleem is een sub-chassis met daarop de C2 condensator combinatie voor de voeding van beide trappen.

Daarnaast staat de interstage en aan de voorzijde is de PCB gemonteerd voor de negatieve roosterspanning. Deze module is hangend bevestigd en met de moeren (M6) van de uitgangstrafo vastgezet. Alle horizontale chassisdelen zijn gemaakt van rvs. Na het boren en ponsen van de benodigde gaten in de chassisplaat en het lassen van de plaatjes op de trafobehuizingen, zijn al deze rvs-delen gepolijst. Alle verticale vlakken zijn zwart gespoten.

De versterker

De eerste trap is opgebouwd rond de bekende 6N30 dubbel triode (6H30 In Cyrillisch schrift). Dit is een medium gain triode met een mu van 14 á 15 die ik graag in mijn versterkers gebruik. Het is een echte krachtpatser met een, voor een stuurbuis, zeer lage inwendige weerstand. De kathodeweerstand van de 6N30 is met een capaciteit ontkoppeld om de uitgangsimpedantie van de buis zo laag mogelijk te houden. Ik heb hiervoor 100uF/16V Blackgate non-polar condensatoren gebruikt die ik nog op de plank had liggen. Deze mooie condensatoren zijn helaas al weer enige tijd uit de roulatie, maar je kunt natuurlijk zonder probleem een andere goede en gangbare elco op deze plek gebruiken.

Quasi Klasse-A2

De reden dat de versterker maar beperkt gebruik kan maken van de mogelijkheden die met klasse-A2 geboden worden, ligt aan de beperkte hoeveelheid stroom die de 6N30 kan leveren. Als de eindbuis richting zijn positieve aansturing gaat, zakt de anodeweerstand (die de 6N30 ziet over de interstage) naar het niveau van het stuurrooster die dan rond de 2 kOhm ligt.

De 6N30 kan dat best nog een tijdje bijbenen, maar als het rooster echt vol in de positieve aansturing schiet en flink stroom gaat eisen, dan komt de dappere Rus in adem- nood. Als je echt gebruik wilt maken van A2 waarbij een dubbel uitgangsvermogen tot de mogelijkheden hoort, dien je gebruik te maken van een 300B of Mosfet in de stuurtrap. In het huidige geval geeft deze schakeling wat meer headroom. Voor de prestaties hoef je het dan allang niet meer te doen, getuige de vervormingscijfers die verderop in dit artikel worden besproken.

Ruststroominstelling

De secundaire wikkeling van de interstage wordt gevoed met een negatieve spanning om de virtuele nul van het rooster zo’n 59 V omlaag te trekken. Zolang het signaal binnen het negatieve spanningsgebied blijft, speelt de versterker in klasse A1. Bij het positief worden gaat de versterker over in klasse A2. Voor het instellen van de ruststroom gebruik ik een klassieke NRS-schakeling waarmee heel simpel van buitenaf de negatieve roosterspanning met een potmeter te regelen is. Zoals al vaak gezegd en geschreven, zit de werkelijke kwaliteit van een versterker in de eerste Watt, Want daar zit de informatie en detaillering die wij zo graag horen.

Hoe beter de controle over het muzieksignaal is, hoe hoger de kwaliteit van de weergave. Met de controle van deze versterker is niets mis. Integendeel zou ik zeggen. De weergave heeft autoriteit en kracht en geeft een natuurgetrouwe indruk. Natuurlijk wil je op zijn tijd de volumeknop ook wel eens verder opendraaien zonder dat de versterker je in de steek laat en dat laatste is met deze versterker goed gelukt. Het is een typische Single Ended Triode versterker gebleven, maar heeft een paar fijne extra’s zowel op het gebied van klankeigenschappen, laagweergave en op het gebied van vermogen.

Ondersteunende elektronica

Het voedingsschema staat in figuur 2. De 6N30 wordt gewoon met 6.3V wisselspanning gegloeid, waarbij de bedrading strak getwist is om het strooiveld zo klein mogelijk te houden. Het heeft nauwelijks enige toegevoegde waarde om hier gelijkspanning te gebruiken. De gloeispanning voor de 211 buis is een heel ander verhaal. Omdat de buis een direct verhitte triode is, wordt de gloeidraad tevens als kathode gebruikt en maakt dus onderdeel uit van de signaalweg.

 

Elke vorm van brom die bovenop de gloeispanning wordt aangeleverd, zal hoorbaar zijn aan de uitgang. Een Tentlabs stroombronvoeding is hier dus goed op zijn plaats. Ik gebruik hier een trafospanning van 11V/5A voor, omdat anders het regelbereik erg krap wordt. De schakeling voor het maken van de negatieve roosterspanning is erg simpel.

De voeding

De gelijkrichting voor de 211 buis wordt verzorgd door twee 6DW4-B diodes die destijds gemaakt zijn als boost gelijkrichters voor kleurentelevisies in de V.S. Deze buizen hebben het grote voordeel dat zij geen top anode hebben en waardoor minder snel gevaarlijke situaties kunnen optreden met kinderen en huisdieren. Zij hebben een zeer lage voltagedrop (25Vdc @ 350mA) en kunnen 5,5KV verwerken. De buizen staan op een NOVAR voet die in V.S. nog goed te krijgen is.

Deze buizenvoeten moeten niet verward worden met de Europese versie van deze grote 9-pins buizenvoet. Dit soort buizen is het eerst op de Amerikaanse markt verschenen met een pendikte van 1 mm en is daarna in aangepaste vorm door Philips gemaakt met een pendikte van 1,5 mm met dito buizenvoeten. De problemen die je krijgt als je deze Amerikaanse buis in een Europese buizenvoet zet zijn voor de hand liggend. Een goed alternatief voor de 6DW4-B is de 6CJ3 buis (damping diode).

Gelijkrichten

De gelijkrichting van de voortrap wordt verzorgd door een CV4005 of een 6X4 buisje. Een alternatief voor deze ook steeds slechter verkrijgbare buis is bijvoorbeeld een EZ90. De 6Z31 kan ook en wordt tegenwoordig weer nieuw geproduceerd.

De voedingstrafo’s hebben hoogspanningstaps voor 700 en 350 Vac. De componenten zijn daarop afgestemd, maar je zou net zo goed (zo niet beter) kunnen kiezen voor 800 en 330 Vac taps, wat resulteert in een B+ van 1100 volt en een B++ van 234 volt met een iets aangepaste condensatorbezetting en weerstand. Met een bias van 60 mA @ 1100 volt kom je zo aan de maximale 65 W dissipatie voor Klasse-A weergave.

Buiskeuze

Hoewel er diverse Chinese en Europese 211 triodes nieuw geproduceerd worden en die een alles behalve verkeerde reputatie hebben, beperkt mijn ervaring zich tot de NOS typen uit de V.S. van General Electric, RCA en United Electronics. De GE’s vind ik wat brutaal en hard klinken; de RCA’s geven de muziek vloeiend weer en de UE’s klinken zijdezacht. Mijn persoonlijke voorkeur gaat uit naar de RCA’s.

De eerder genoemde 6N30 voorbuis is bij mij een gematchde Reflektor 6N30p-DR buis, maar eerlijk gezegd is het verschil met een nieuw geproduceerde en gematchde Sovtek 6N30p-EB niet of nauwelijks te horen. Gezien de prijzen die gevraagd worden voor de NOS Reflektor buizen, kun je geld beter uitgeven aan de Autobias module van Tentlabs/vanderVeen die echt iets toevoegt aan de werking van je versterker .

Elco’s

Voor de afvlakcondensatoren voor de B+ is gekozen voor Nippon Chemicon condensatoren en wel de 680uF/400V 105C KMM snap-in types, een prima kwaliteit elco die je veel in high end audio apparatuur terug ziet. Het mooie is dat het niet eens excessief kostbare componenten zijn.

De voeding voor de voortrap is uitgerust met een Epcos MKP condensator en een Blackgate WKZ.

Metingen

De totale harmonische vervorming plus ruis en brom (FFT THD+n residu) gemeten bij 1 watt met een 1 kHz meetsignaal in 8 Ohm voor zowel een 60 als 80 mA Bias, komt voor deze versterker uit op respectievelijk 0,48% en 0,33%. De cijfers komen voor het grootste deel op conto van de 2e harmonische vervorming, zoals het FFT spectrum van figuur 3 laat zien. Het harmonische spectrum loopt mooi gelijkmatig af. Figuur 3 toont twee metingen naast elkaar bij een Bias van 60 en 80 mA. De ruisvloer ligt iets lager dan -120dB en de 50Hz stoorspanning beperkt zich tot -73dB. De 100Hz harmonische ligt al op -76dB. Zelfs met je oor tegen de speaker gedrukt is er geen hoorbare brom.

 

 

Het extra vermogen wat binnen het A2 gebied beschikbaar komt, is goed te zien in dit plaatje. Het 10% THD+n punt geeft 18 en 20 Watt aan bij een Bias van resp. 60 en 80 mA zonder dat er een harde clip optreedt. Dit 10% punt wordt overigens bereikt bij een signaalsterkte aan de ingang van 2,9 V

 

De frequentierespons bij 1, 12 en 20 Watt worden weergegeven. Binnen -3dB is de karakteristiek recht tot 19 kHz. Hoewel deze cijfers vergeleken met solid state versterkers misschien niet spectaculair ogen, valt het resultaat voor een 211 single ended versterker beslist niet tegen.

 

De curves aan beide zijden van het frequentiespectrum verlopen elegant. De bandbreedte beperking is het gevolg van het compromis wat je moet sluiten bij het maken van een 10K Ohm uitgangstrafo die ook nog eens grote uitgangs- vermogens aan moet kunnen. Kijkend naar het -3dB punt in het laag, dat in alle gevallen kleiner is dan 16 Hz, moge duidelijk zijn waar hier voor is gekozen. Daarvoor is er voor een extra grote trafokern gekozen.

Ook op deze versterkers is de lineariteitmeting op 70 Hz (naar het idee van Menno van der Veen) uitgevoerd; zie figuur 7. Deze test laat zien of de versterking constant is van zeer kleine tot zeer grote signalen. De nu gebruikte uitgangstrafo is iets minder lineair dan die in de 300B versterker van vorig jaar. De variatie beperkt zich echter tot ongeveer 0,4 dB binnen een uitgangspanningbereik tussen de -86 dBV en 14 dBV. De oploop links onder -86dBV wordt veroorzaakt door het doordringen van 50 Hz brom in de meting en mag genegeerd worden (kijk hiervoor nog eens naar het bovenste plaatje). De metingen zijn uitgevoerd bij een bias instelling van 60 en 80 mA en geven eigenlijk alleen boven de 10W een afwijking in de lineariteit ten nadele van de 80 mA instelling.

De dempingfactor ligt tussen 3,2 en 3,3 in het grootste deel van het frequentiegebied, zie figuur 8. De kathode tegenkoppeling zorgt ervoor dat de inwendige weerstand van de eindbuis een stukje verlaagd wordt. Zonder de CFB zou de dempingsfactor uitkomen op 2,3.

(Je kunt weer op de plaatjes klikken voor een grotere afbeelding)

Muziek

De weergave van muziek, daar is het uiteindelijk allemaal om te doen. Vergelijken van versterkers kun je alleen maar doen vanuit een duidelijk referentiepunt en ik was zo gelukkig om zowel de Goliath met mu-stage voortrap als de iGoliath met interstage naast elkaar te kunnen beluisteren. Het zijn uiteindelijk twee totaal verschillende versterkers geworden en hoewel ze veel gemeen hebben, verschillen ze ook als echte broers. Er is en blijft niets moeilijker dan perceptie om te zetten in duidelijke en begrijpelijke termen, maar om de verschillen in een paar woorden te duiden: er is meer controle in mid-laag en laag. Zangstemmen hebben meer autoriteit dan de oorspronkelijke Goliath en het laag is strakker. Dit alles zonder in te boeten op detaillering. De versterkers staan nu bijna een jaar te spelen en zijn zeer stabiel gebleken. Ik kan niet anders zeggen dan dat ik erg tevreden ben met het eindresultaat.

Waarschuwing

Deze versterker gebruikt een spanning die rond de 1000 Volt ligt en heeft een voeding die voldoende stroom levert om een acute hartstilstand te veroorzaken. Het is daarom niet aan te raden om deze versterker te bouwen indien je niet gewend bent om met zulke hoge voltages om te gaan en/of bekend bent met de risico’s.

Peter heeft ook een eigen site: http://audio.fam-gelder.nl/